ALSTOM 机组推力轴承损坏原因及措施

魏玉国

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

推力轴承是水轮发电机机组的关键部件之一，承受水轮发电机组转动部分重量和全部水推力。三峡电站机组重量和水推力大，因而推力轴承负荷和尺寸大。三峡ALSTOM 发电机推力轴承采用双层轴瓦弹性柱销专利结构，瓦面材料为巴氏合金，其内、外径分别为3.5m 和5.2m［1］。这种推力轴承由推力瓦(薄瓦)和托瓦(厚瓦)两层之间布置了一系列直径不等的小支柱，在托瓦底部有一个小托盘，轴承瓦通过托盘支撑在一个长支柱上面，长支柱可以通过螺纹调整高程［2］。

三峡电站ALSTOM 机组推力轴承自机组投入运行以来运转良好，但也存在一些问题:镜板与推力头连接螺栓均有不同程度的松动，部分机组镜板与推力头合缝存在局部间隙及油流情况，镜板与推力头连接螺栓发生断裂情况，镜板与推力头结合面锈蚀较严重等［3，4］。

1 ALSTOM 机组推力轴承问题分析

1.1 镜板厚度不足

由于镜板较薄，机组运转时，镜板在24 块推力轴瓦的作用下，出现了周期性的波浪变形(这种现象可在机组盘车时，用百分表测量镜板表面证实)，推力头的刚性远大于镜板，因此当推力头与镜板结合面处于相邻两块推力瓦之间时，就出现缝隙，当结合面转至推力瓦面上部时缝隙就被压合，如图1 所示。

图1 推力头与镜板结合面周期性出现缝隙与压合放大示意图

当产生缝隙时油被吸入，同时在负压作用下，油中产生大量气穴现象。当缝隙被压合时，推力头与镜板结合面会产生气蚀破坏。气穴的产生、压缩、突然破裂的作用次数，在一个大修间隔内，可达兆次以上。这种气蚀作用，使镜板背面和推力头底面变的粗超，促使气穴更易于形成，加剧了气蚀的破坏作用。接触面的气蚀破坏是呈等高线型逐渐缩小的蚕食过程，最后完全被蚕食，即由接触受力面变为不受力面，继而使别的不受力面上升为接触受力面，接着它又遭受气蚀破坏，上述气蚀现象与三峡ALSTOM 机组推力轴承拆解后，结合面气蚀情况相吻合，说明了气蚀现象的存在，也证明了镜板厚度不足是产生推力头镜板把合面锈蚀的直接原因。

推力瓦圆周均布并支撑着整圆结构的镜板与推力头，当镜板旋转时，由于瓦和瓦间的作用力不同，所形成的巨大交变力，使镜板产生波浪变形，可见把合螺栓受该波浪变形的影响，承受交变载荷，如果镜板厚度不足，变形则较大，当镜板变形大于油膜厚度时，会对推力轴承性能会产生不良影响，甚至可能引起烧瓦事故。

镜板的设计要点是减小其变形，最有效的办法是增大镜板厚度值，三峡推力轴承最小油膜厚度计算值为0.029mm，镜板有害变形不能超过运行油膜厚度，镜板厚度取值范围见表1。

表1 镜板厚度取值范围数据表

以上数据是根据几十年已运行机组的经验和有关图纸，经统计、总结的设计规范。多年实践证明，按表1 选取镜板厚度可保证推力轴承安全稳定运行。

1.2 推力头与镜板结合螺栓选择不合理

推力头与镜板结合螺栓规格通常为M36，M42，M48，螺栓弦距为6 ～7 倍螺栓直径。合理选择螺栓规格，螺栓弦距可以避免出现螺栓断裂问题。

三峡右岸ALSTOM 与哈电联合制造机组，在镜板80mm 厚度下，将结合螺栓个数增多，结合螺栓个数增加1.5 倍，使每两个螺栓之间的距离变小，即增多控制镜板波浪变形的结点数，使镜板波浪变形的幅值减小，相应加在螺栓上的交变力也随之变小。目前小改结构在运行中并未出现螺栓断裂的问题。

三峡右岸VGS 与DFEM 镜板和推力头结构，镜板厚为140mm，结合螺栓为单排16-M30。该结构比ALSTOM 结构镜板厚度增加1.75 倍，相对28 块瓦，结合螺栓个数仍然偏少，按哈电设计规范，相邻两螺栓弦距在220 ～260 之间选取。三峡VGS镜板和推力头结构，运行以来没有不良现象的反馈，说明镜板波浪变形较小，使作用在螺栓上的交变力较小，因此，螺栓个数偏少但未出现问题。

龙滩发电机镜板和推力头结构。该电站是ALSTOM 与HEC 联合设计，镜板厚度为200mm，把合螺栓16-M30x 双排，结合面加装密封条，符合哈电设计规范，可保证长期安全运行。

三峡左岸ALSTOM 机组镜板结构数据，镜板厚度为80，运行一段时间就产生不良现象，其中5 号机镜板产生永久变形，平面度达0.3mm，在巨大的交变力作用下，由于推力头镜板结合螺栓个数少，螺栓规格较小，所产生的波浪变形较大，引起结合螺栓的交变载荷显现，造成螺栓因疲劳产生断裂，从而造成结合螺杆断裂事故。相似机组性能比较见表2。

表2 相似机组性能比较表

1.3 其他原因

镜板和推力头组合结构，还存在热应力引起镜板变形，会使结合面之间产生间隙，较薄镜板产生的间隙较大，较厚镜板产生的 间隙较小，可见镜板应有适当的厚度，热应力影响同样要求镜板有足够的厚度和刚度。综上，产生推力头与镜板结合面锈蚀及螺栓断裂的主要原因

(1)镜板厚度薄，刚度弱。推力头与镜板结合面间周期性出现了缝隙和被压合的现象，导致镜板推力头结合面锈蚀及螺栓疲劳断裂。

(2)结合螺栓数量少，规格小，抗疲劳能力弱。

2 ALSTOM 机组推力轴承结构优化

为了消除三峡ALSTOM 机组推力轴承问题要从上述两方面着手处理，增加镜板厚度，增加结合螺栓数量或者增大螺纹规格，在镜板推力头结合面内外侧增加密封圈。同时根据电厂观测，推力头与镜板存在相对位移。螺杆断裂部位为与镜板连接段螺纹根部，断口整齐，其中断口上部约15mm 内有疑似挤压痕迹，检查其他螺栓孔发现，内圈螺栓孔及螺栓绝大部分有此痕迹，外圈螺栓孔无此现象。压痕位置一致，均位于俯视逆时针侧，怀疑螺杆有受到剪切应力的可能，因此决定在推力头与镜板结合面上安装径向销钉，为避免销钉在转动时飞出，销钉设计成“T”形，具体如图2所示。

图2 推力头镜板最终方案装配图

综合考虑各种因素，确定处理方案为［5］

(1)推力头与镜板结合螺栓数量由16 个增加为32 个。

(2)推力头与镜板结合面内外侧增加2 个密封槽，设置密封圈。

(3)推力头与镜板结合面设置骑缝销钉。

3 结语

三峡电站推力轴承已经改造且回装完毕，机组已经并网发电，目前轴承运行状态良好，证明了上述分析及解决方案的正确性。同时该案例也提醒设计员在设计时要注意合理选择镜板的厚度及结合螺栓数量。为类似电站推力轴承的改造提供了宝贵的技术支持。

［1］ 王树清，梁波.三峡右岸电站水轮发电机主要参数及结构优化.大型水轮发电机组技术论文集，2008.

［2］ 武中德，张宏.三峡水轮发电机推力轴承.中国三峡建设，2003.09.

［3］ 杨忠.水轮发电机推力轴承油变黑故障分析与处理.云南水利发电，2010.4.

［4］ 王松林.白龙电站机组推力头损坏的原因分析及处理.四川水利发电，2002.

［5］ 刘康宁.三峡5F 机组镜板修复工艺及分析.机械工程师，2013.6.